DE19533447C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Gießwerkzeugs mit einer Metallschmelze - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Gießwerkzeugs mit einer Metallschmelze

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befüllen eines Gießwerkzeugs mit einer Metallschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.
Beim Gießen von Gußstücken, deren Durchmesser im Verhältnis zur axialen Länge groß ist, z. B. bei rotationssymmetrischen Guß­ stücken, wie Leichtmetallrädern für Fahrzeuge wird in den mei­ sten Fällen ein Zentraleinguß verwendet, bei welchem die Metall­ schmelze mittig dem Formhohlraum des Gießwerkzeugs zugeführt wird. Daneben werden auch seitliche Anschnitte und Mehrfach­ anschnitte verwendet. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die Metallschmelze über einen Zuführkanal mit einem relativ geringen Durchmesser von etwa 30mm bis 50mm zugeführt wird.
Damit die Metallschmelze vor dem Erstarren von diesem Einguß an alle Stellen des Formhohlraums des Gießwerkzeugs zuverlässig fließen kann, ist eine hohe Temperatur des schmelzflüssigen Metalls notwendig. Dies bedeutet einen hohen Wärmeeintrag im Bereich der Zuführung und damit eine partielle Überhitzung des Gießwerkzeugs im Eingußbereich. Diese Überhitzung hat einen starken Verschleiß des Werkzeugs bzw. der Eingußbüchsen zur Folge, wodurch die Standzeiten der Gießwerkzeuge verringert werden. Die hohe Temperatur der Metallschmelze verlängert dar­ über hinaus den Abkühlzyklus, so daß in der Regel aufwendige zusätzliche Kühlmaßnahmen eingesetzt werden müssen.
Aus der DE-AS 13 02 161, von der die Erfindung ausgeht, ist es auch schon bekannt, von einem Einguß mit geringem Querschnitt wegzugehen und die Metallschmelze zunächst dezentral einer ring­ segmentförmigen Kammer größeren Querschnitts zuzuführen und von dort anschließend in den Formhohlraum zu leiten. Hierzu steht die Ringsegmentkammer praktisch über den gesamten Umfang mit dem Formhohlraum des Gießwerkzeugs in Verbindung, wodurch der Zu­ flußquerschnitt vergrößert wird. Diese Vergrößerung erleichtert das Befüllen des Formhohlraums mit Metallschmelze.
Nachteilig hierbei ist, daß insbesondere bei relativ komplizier­ ter Geometrie keine ausreichend homogene Gefügestruktur erreich­ bar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Befüllen des Gieß­ zeuges mit einer Metallschmelze so zu verbessern, daß kürze­ re Zykluszeiten mit einer verbesserten Qualität des Gußstückes vereinigt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Metallschmelze aus der Ringkammer in den Formhohlraum durch einen Kolben zu verdrängen, der innerhalb der Ringkammer verschiebbar gelagert ist. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Metallschmelze nicht nur punktuell, sondern in breiter Front von der Ringkammer in den Formhohlraum hineingeleitet wird. Gleichzeitig hat der Kol­ ben die Funktion, daß am Ende des Befüllzyklußes die weitere Zufuhr von Metallschmelze unterbunden wird.
Der Zufluß der Metallschmelze aus der Ringkammer in den Form­ hohlraum über den gesamten Umfang der Ringkammer vergrößert den Zuflußquerschnitt erheblich, z. B. bei einem Fahrzeugrad um etwa den Faktor 10. Aufgrund dieses vergrößerten Zuflußquerschnitts kann die Füllzeit weiter verkürzt werden. Die Vergrößerung des Zuflußquerschnitts ermöglicht dabei sogar, trotz der Verkürzung der Füllzeit die Zuflußgeschwindigkeit der Metallschmelze zu verringern. Die Metallschmelze kann daher turbulenzfrei zuge­ führt werden, wodurch die Lunkerbildung verringert und die Qua­ lität des Gußstückes erhöht wird. Weiter wird bei der ringförmi­ gen dezentralen Zuführung der Metallschmelze der Wärmeeintrag durch die Metallschmelze auf den gesamten Umfang der Ringkammer verteilt. Die gleichmäßigere Verteilung des Wärmeeintrags ver­ meidet lokale Überhitzungen, die zu einem besonders starken Verschleiß des Gießwerkzeugs führen. Außerdem ermöglichen die schnellere Zuführung der Metallschmelze und die kürzeren Fließstrecken der Metallschmelze im Formhohlraum eine Reduzie­ rung der Temperatur der zugeführten Metallschmelze. Dies bedeu­ tet eine weitere Reduzierung des Verschleißes und eine Energie­ einsparung. Schließlich kann die Metallschmelze schneller er­ starren, was einerseits eine zusätzliche Verkürzung der Gesamt­ zykluszeit bedeutet und außerdem das Dendritenwachstum verrin­ gert, so daß das Gußstück bessere mechanische Kennwerte infolge kleinerer Dendritenarmabstände aufweist.
Die Ringkammer ist mit wenigstens einem Kolben versehen, der in das Volumen der Ringkammer eingedrückt werden kann. Dieser Kol­ ben verschließt dabei nicht nur den Zuführkanal der Metallschmelze sondern drückt die in der Ringkammer verbleibende Metallschmelze in den Formhohlraum.
Das Verfahren und die Vorrichtung können vorzugsweise bei rota­ tionssymmetrischen Gußteilen verwendet werden, beispielsweise für die Herstellung von Leichtmetallrädern für Fahrzeuge.
Das Verfahren und die Vorrichtung können eingesetzt werden bei allen bekannten Druckgießverfahren, insbesondere bei Niederdruck-Gießmaschinen, bei Gegendruck-Gießmaschinen, bei Preßgießmaschinen mit "squeeze"-Effekt und bei Vacuum-Gießma­ schinen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axialschnitt das Gießen eines Leichtmetallrades für ein Fahrzeug, wobei die rechte Hälfte den Zustand bei offenem Gießwerkzeug und die linke Hälfte den Zu­ stand bei geschlossenem Gießwerkzeug zeigt.
In der Zeichnung ist die Herstellung eines Leichtmetallrades für ein Kraftfahrzeug dargestellt.
Das Gießwerkzeug besteht aus einer Stahlkokille, die zusammenge­ setzt ist aus einem unteren Werkzeugteil 10, einem oberen Werk­ zeugteil 12 mit einem Zentraleinsatz 14 und Schiebern 16. Das untere Werkzeugteil 10 ist fest stehend auf einer Basisplatte 18 montiert. Das obere Werkzeugteil 12 und dessen Zentraleinsatz 14 sind vertikal bewegbar. Gegebenenfalls kann das obere Werkzeug­ teil 12 auch einstückig mit dem Zentraleinsatz 14 ausgebildet sein. Zentrisch durch die Basisplatte 18 und das untere Werk­ zeugteil 10 ist ein Hubstempel 20 geführt.
Auf der Basisplatte 18 ist ein Haltering 22 montiert, der das untere Werkzeugteil 10 koaxial umschließt. Der Haltering 22 ist gegenüber dem Außenumfang des unteren Werkzeugteils 10 radial beabstandet, so daß zwischen dem Außenumfang des unteren Werk­ zeugteils 10 und einem sich axial daran anschließenden Absatz der Basisplatte 18 einerseits und dem Innenumfang des Halterin­ ges 22 andererseits eine zylindrische Ringkammer 24 gebildet wird. Bodenseitig ist die Ringkammer 24 durch die Basisplatte 18 abgeschlossen, wobei ein Fluiddruckkanal 26 durch die Basis­ platte 18 von unten in die Ringkammer 24 führt. Unten in der Ringkammer 24 ist ein ringförmiger Kolben 28 gelagert, der den gesamten horizontalen Querschnitt der Ringkammer 24 ausfüllt und die halbe axiale Höhe der Ringkammer 24 aufweist. Der Kolben 28 ist in der Ringkammer 24 an seinem Außenumfang und an seinem Innenumfang dicht gleitend geführt. Der Kolben 28 kann durch Druckbeaufschlagung über den Fluiddruckkanal 26 in der Ringkam­ mer 24 nach oben gedrückt werden. Alternativ kann der Kolben 28 durch mehrere hydraulisch betätigte Hubstempel nach oben ge­ drückt werden.
Durch den Haltering 22 führt ein Zuführkanal 30 oberhalb des Kolbens 28 in die Ringkammer 24. Der Zuführkanal 30 verläuft radial durch den Haltering 22 und steigt axial von außen nach innen an. Ein Zuflußrohr 32, welches von einem Druckkolben be­ aufschlagt ist, ist kraftschlüssig und dicht mit einem kalotten­ förmigen Mundstück an das radial äußere Ende des Zuführkanals 30 anschließend in den Haltering eingesetzt.
Die Ringkammer 24 mündet an ihrem oberen Ende über ihren ge­ samten Umfang und über ihre gesamte radiale Breite in den Form­ hohlraum des Gießwerkzeugs an dessen Außenumfang. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, bei welchem das Gußstück ein Fahrzeugrad ist, mündet die Ringkammer 24 in den von dem unteren Werkzeugteil 10 und den Schiebern 16 gebildeten Bereich des Formhohlraumes, der das äußere Felgenhorn des Rades bildet.
Das Gießverfahren läuft folgendermaßen ab:
Zunächst befindet sich das obere Werkzeugteil 12 mit dem Zen­ traleinsatz 14 in der angehobenen oberen Stellung und der Kolben 28 liegt unten in der Ringkammer 24, wie dies in der rechten Hälfte der Zeichnung dargestellt ist. Über das Zuflußrohr 32 und den Zuführkanal 30 wird die Metallschmelze radial von außen in die Ringkammer 24 oberhalb des Kolbens 28 zugeführt. Die Metall­ schmelze füllt die Ringkammer 24 und den Formhohlraum des unte­ ren Werkzeugteils 10, so daß sich in dem unteren Werkzeugteil 10 eine charakteristische Sumpftiefe der Metallschmelze einstellt.
Die auf diese Weise zugeführte Menge der Metallschmelze ist entsprechend der Form und dem Gewicht des Gußkörpers dosiert.
Anschließend wird der Kolben 28 nach oben geschoben, bis er den Eintrittsquerschnitt des Zuführkanals 30 in die Ringkammer 24 verschließt und die Metallzuführung zu der Ringkammer 24 unter­ bricht. Dabei verdrängt der Kolben 28, das sich in der Ringkam­ mer 24 befindende Volumen der Metallschmelze nach oben in den Formhohlraum des unteren Werkzeugteils 10. Der Kolben 28 befin­ det sich nun in der in der linken Hälfte der Zeichnung darge­ stellten Position.
Anschließend werden das obere Werkzeugteil 12 und der Zentral­ einsatz 14 nach unten gefahren in die in der linken Hälfte der Zeichnung dargestellte Position. Dabei wird die teigige Me­ tallschmelze verdichtet und in die freien Werkzeughohlräume verdrängt, insbesondere in die Hohlräume, die das Felgenbett und das innere Felgenhorn bilden.
Alternativ zu dem gemeinsamen Niederfahren des oberen Werkzeug­ teils 12 und des Zentraleinsatzes 14 kann auch zunächst der Zentraleinsatz 14 nach unten gefahren werden, so daß das Werk­ zeug im Nabenbereich geschlossen ist. Anschließend wird das obere Werkzeugteil 12 nach unten gefahren und verdrängt und verdichtet die Metallschmelze im Bereich der Speichen.
Die Verdichtung im Nabenbereich erfolgt durch Anheben des Hub­ stempels 20 von unten in den mittleren Nabenbereich, in welchen später die Nabenbohrung eingebracht wird.
Vorzugsweise mündet der Zuführkanal 30 nicht mit kreisförmigem Querschnitt in die Ringkammer 24, sondern verbreitert sich beim Einmünden in die Ringkammer 24 deltaförmig in Umfangsrichtung der Ringkammer 24. Dadurch verteilt sich die durch den Zuführ­ kanal 30 in die Ringkammer 24 einströmende Metallschmelze gleichmäßiger nach beiden Seiten in Umfangsrichtung und eine laminare Strömung der Metallschmelze beim Einfließen in die Ringkammer 24 wird begünstigt.
Anstelle eines einzigen Zuführkanals 30 können auch mehrere Zuführkanäle über den Umfang der Ringkammer 24 verteilt angeord­ net sein.
Der Kolben 28 kann als ein einstückiger geschlossener Ringkörper ausgebildet sein. Es ist auch möglich, den Kolben 28 durch eine oder mehrere radiale Trennfugen zu unterteilen, die thermische Ausdehnungen des Kolbens 28 in Umfangsrichtung aufnehmen.
Der Kolben 28 kann außerdem auch in mehrere (vorzugsweise 2) koaxial ineinander gelagerte und axial gegeneinander verschieb­ bare Ringkörper unterteilt sein, die getrennt voneinander druck­ beaufschlagt und bewegt werden können. Der äußere Ringkörper wird zuerst beaufschlagt, um den Zuführkanal 30 zu verschließen und die Metallzuführung zu unterbrechen. Der innere Ringkörper dient dazu, die Metallschmelze aus der Ringkammer 24 in den Formhohlraum zu verdrängen und insbesondere im Eingußbereich zu verdichten.
Es ist offensichtlich, daß die Ringkammer 24 nicht über ihrem gesamten Umfang frei in den Formhohlraum einmünden muß. Wesent­ lich ist jedoch, daß ein möglichst großer Zuflußquerschnitt zwischen der Ringkammer 24 und dem Formhohlraum besteht.
Es ist weiter ersichtlich, daß die Ringkammer 24 nicht notwendi­ gerweise am Außenumfang des Formhohlraumes einmünden muß, son­ dern auch in einem radial mittleren Rereich einmünden kann. Wo die Ringkammer 24 in den Formhohlraum einmündet wird zweckmäßi­ gerweise nach der Form des Gußkörpers festgelegt. Je weiter radial außen die Ringkammer 24 angeordnet ist, um so größer wird der Zuflußquerschnitt und um so effektiver werden die erfin­ dungsgemäßen Vorteile genutzt.
Die Ringkammer 24 muß keine rotationssymmetrische Form aufwei­ sen, sondern kann beispielsweise auch die Form eines Polygons haben. In diesem Fall ist der Kolben gegebenenfalls in einzelne Kolbenkörper unterteilt, die den einzelnen Polygonseiten ent­ sprechen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei nicht rotations­ symmetrischen Gußstücken verwendet werden.
Bezugszeichenliste
10 unteres Werkzeugteil
12 oberes Werkzeugteil
14 Zentraleinsatz
16 Schieber
18 Basisplatte
20 Hubstempel
22 Haltering
24 Ringkammer
26 Fluiddruckkanal
28 Kolben
30 Zuführkanal
32 Zuflußrohr
147

Claims (12)

1. Verfahren zum Befüllen eines Gießwerkzeugs mit einer Me­ tallschmelze, bei welchem zunächst die Metallschmelze de­ zentral einer Ringkammer zugeführt wird, die über zumindest den größeren Teil ihres Umfangs mit dem Formhohlraum des Gießwerkzeugs in Verbindung steht, und anschließend die Metallschmelze aus dieser Ringkammer in den Formhohlraum fließt, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Befüll­ zyklus die Zuführung der Metallschmelze in die Ringkammer durch wenigstens einen in der Ringkammer verschiebbaren Kolben unterbrochen wird, wobei der Kolben die Metallschmelze aus der Ringkammer in den Formhohlraum ver­ drängt.
2. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, mit wenigstens einem Zuführkanal für die Metallschmelze, der dezentral zu dem Formhohlraum des Gieß­ werkzeuges angeordnet ist, und mit einer Ringkammer, in die der wenigstens eine Zuführkanal mündet, und die ihrerseits über zumindest den größeren Teil ihres Umfangs offen in den Formhohlraum mündet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kolben (28) derart in der Ringkammer (24) verschiebbar gelagert ist, daß er beim Einschieben in die Ringkammer (24) die Metallschmelze aus der Ringkammer (24) in den Formhohlraum verdrängt, und daß er in seiner eingeschobenen Stellung den wenigstens einen Zuführkanal (30) verschließt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (24) am Außenumfang des Formhohlraums an­ geordnet ist und sich formgleich an die Außenkontur des Formhohlraums anschließt.
4. Vorrichtung nach einem der Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringkammer (24) über ihren gesamten Umfang offen in den Formhohlraum des Werkzeugs einmündet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolben (28) ein über den gesamten Umfang der Ringkammer (24) geschlossener Körper ist, dessen Querschnittsfläche mit der Querschnittsfläche der Ringkam­ mer (24) deckungsgleich ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolben (28) durch wenigstens eine radiale Fuge unterteilt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolben (28) in wenigstens zwei koaxi­ al zueinander gelagerte und koaxial gegeneinander verschiebbare Kolbenkörper unterteilt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der wenigstens eine Zuführkanal (30) in Umfangsrichtung der Ringkammer (24) deltaförmig erwei­ ternd in die Ringkammer (24) einmündet.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringkammer (24) kreisringförmig aus­ gebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ringkammer (24) polygonringförmig ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Herstellung von rotations­ symmetrischen Gußstücken, insbesondere Leichtmetallrädern für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Ring­ kammer (24) und der Kolben (28) die Form von geraden Kreis­ zylindern haben.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Herstellung von Leicht­ metallrädern für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (24) in den das äußere Felgenhorn bil­ denden Bereich des Formhohlraums einmündet.
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